Cọn nước là bánh xe tre lớn đặt bên dòng suối, tự quay nhờ dòng chảy đẩy vào các cánh phên ở chân bánh, và tự đưa nước lên cao nhờ những ống bương, ống nứa buộc nghiêng quanh vành: ống múc đầy nước ở dưới, quay lên gần đỉnh thì nghiêng đổ vào máng dẫn ra ruộng. Năng lượng lấy từ chính dòng suối, nên cọn quay ngày đêm không cần người đạp hay máy nổ. Nước được nâng lên tối đa gần bằng đường kính bánh xe, đủ để tưới những thửa ruộng nằm cao hơn mặt suối vài mét.
Bánh xe khổng lồ tự quay giữa núi rừng
Đi qua các thung lũng ở vùng núi phía Bắc, người ta có thể gặp cảnh lạ: bên bờ suối, một bánh xe bằng tre cao hơn mái nhà, chậm rãi quay, kẽo kẹt, nước từ những ống tre trên vành tuôn xuống một cái máng dài rồi chảy vắt qua bờ ra cánh đồng. Không ai đứng cạnh, không có tiếng động cơ. Người Thái gọi nó là cọn nước; người Tày, người Nùng và nhiều nơi khác gọi là guồng nước.
Cọn nước có mặt ở nhiều bản người Thái tại Sơn La, Điện Biên, Lai Châu, vùng Mường Lò (nay thuộc tỉnh Lào Cai), ở các thung lũng của người Tày, Nùng tại Cao Bằng, Lạng Sơn, Tuyên Quang. Ở miền Trung, những guồng xe nước trên sông Trà Khúc của tỉnh Quảng Ngãi từng là hình ảnh quen thuộc gắn với vùng đất này. Mỗi nơi một kiểu dáng, nhưng vật lý của chúng giống hệt nhau.
Cấu tạo một chiếc cọn
- Trục: một khúc gỗ chắc nằm ngang, gác lên hai giá chạc đặt ở hai bên, có khi một bên trên bờ, một bên giữa dòng.
- Nan hoa và vành: những cây tre toả ra từ trục như nan hoa xe đạp, nối với nhau bằng một hoặc hai vòng vành tre. Đường kính bánh xe từ vài mét đến hơn chục mét.
- Cánh hứng nước: những tấm phên tre đan gắn quanh vành, phần dưới cùng nhúng vào dòng chảy.
- Ống múc: ống bương hoặc ống nứa, một đầu hở, buộc chéo quanh vành, miệng hướng lệch một góc.
- Máng: một máng tre hay gỗ đặt sát phía trên bánh xe, ở vị trí ống bắt đầu đổ nước, dẫn nước ra mương lên ruộng.
- Đập dồn nước: người ta thường kè một đoạn đập thấp bằng đá, cọc tre, phên nứa chéo qua lòng suối để dồn nước, cho dòng chảy qua chân cọn nhanh và sâu hơn.
Vì sao cọn tự quay: động lượng của dòng chảy
Nước chảy mang theo động lượng, tức khối lượng nhân vận tốc. Khi dòng nước đập vào các tấm phên ở chân bánh xe, nó bị chặn lại và chảy chậm đi. Động lượng nước mất đi không biến mất mà truyền sang cánh phên, thành một lực đẩy theo chiều dòng chảy. Lực này tác dụng ở mép bánh xe, cách trục một bán kính, nên tạo ra mô men lực lớn. Bánh xe càng to, cánh tay đòn càng dài.
Đây là kiểu bánh xe nước hứng dưới: nước chỉ chạm phần thấp nhất của bánh xe, khác với kiểu cối nước ở châu Âu cho nước đổ từ trên xuống vào gầu ở đỉnh bánh. Kiểu hứng dưới tận dụng năng lượng kém hơn, nhưng hợp với suối miền núi: không cần đắp đập cao, chỉ cần dòng chảy đủ xiết.
Không nhanh quá, không chậm quá
Có một điều thú vị: bánh xe hứng dưới không lấy được nhiều năng lượng nhất khi quay nhanh nhất. Nếu cánh chạy gần bằng tốc độ nước, nước chỉ "lướt" theo cánh mà gần như không đẩy. Nếu bánh xe bị giữ đứng yên, lực đẩy lớn nhưng không có chuyển động nên cũng không sinh công. Mô hình đơn giản cho thấy công suất cao nhất khi cánh chạy cỡ một nửa tốc độ dòng nước. Lượng nước phải nâng trong các ống chính là "tải" hãm bánh xe lại về khoảng tốc độ hợp lý ấy, và người làm cọn điều chỉnh số ống, cỡ ống, độ sâu cánh nhúng nước để cọn quay đều.
Vì sao nước lên được cao: những chiếc ống nghiêng
Bí quyết thứ hai nằm ở góc buộc ống. Ống không buộc song song với nan hoa mà lệch một góc, miệng ống hướng chếch về phía trước theo chiều quay.
- Ở dưới cùng, ống chìm trong nước, miệng ống quay về phía dòng chảy, nước tràn vào đầy ống.
- Bánh xe quay lên, ống nghiêng sao cho miệng vẫn chếch lên trên, nước nằm yên trong ống.
- Gần đến đỉnh, góc của ống đổi dần theo vòng quay; tới một vị trí, miệng ống chúc xuống và nước đổ ra, rơi đúng vào máng đặt sẵn.
- Ống rỗng tiếp tục đi xuống, chuẩn bị múc lượt sau.
Vì nước được đổ ra trước khi ống lên tới điểm cao nhất, độ cao nâng nước luôn thấp hơn đường kính bánh xe một chút. Muốn tưới ruộng cao hơn, chỉ có cách làm bánh xe to hơn, và đó là lý do có những chiếc cọn cao như cây cổ thụ.
Một chút số liệu: cọn làm được bao nhiêu việc
Công cần để nâng nước bằng khối lượng nước nhân gia tốc trọng trường nhân độ cao. Lấy một ví dụ tròn số để hình dung:
- Nâng 0,5 lít nước mỗi giây lên cao 6 mét cần công suất khoảng 30 oát, cỡ một bóng đèn nhỏ.
- Chạy suốt một ngày đêm, lượng nước ấy là khoảng 43 mét khối, đủ phủ một lớp nước dày 7 milimet lên khoảng 6.000 mét vuông ruộng.
- Một dòng suối chảy 1,5 mét mỗi giây qua phần cánh nhúng rộng nửa mét vuông mang động năng cỡ 800 oát. Dù bánh xe tre chỉ tận dụng được một phần nhỏ, phần ấy vẫn dư sức cho 30 oát kia.
Các con số trên chỉ là ước lượng minh hoạ, cọn thật mỗi chiếc mỗi khác. Nhưng chúng cho thấy vì sao một vật làm hoàn toàn bằng tre, gỗ, mây buộc lại có thể nuôi cả một cánh đồng: nhu cầu năng lượng để tưới không lớn, chỉ cần một nguồn chạy đều, không nghỉ.
Đưa nước lên ruộng: từ sức người đến sức suối
| Cách | Nguồn sức | Độ cao nâng | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Gàu dai | Hai người kéo dây | Thấp, dưới một mét | Tát nước từ mương lên ruộng sát bên |
| Gàu sòng | Một người, gàu treo trên giá ba chân | Thấp | Đỡ mỏi hơn vì gàu treo, người chỉ đẩy kéo |
| Guồng đạp nước | Người đạp | Khoảng một mét | Dây xích bàn gạt kéo nước theo máng nghiêng |
| Cọn nước | Dòng chảy của suối, sông | Vài mét đến gần chục mét | Chạy liên tục, cần dòng chảy đủ mạnh và chỗ đặt hợp |
| Máy bơm | Điện hoặc dầu | Cao tuỳ công suất | Chủ động, nhưng tốn nhiên liệu, cần bảo dưỡng |
Nhìn bảng, cọn nước nổi bật ở chỗ không tốn sức người và nhiên liệu. Đổi lại, nó gắn chặt với một dòng suối cụ thể, chỉ tưới được ruộng ở gần, và phụ thuộc vào lượng nước theo mùa. Tre nứa ngâm nước lâu ngày cũng mục nhanh, nên cọn phải được sửa chữa, thay nan, thay ống thường xuyên, nhất là sau mùa lũ.
Họ hàng trên thế giới
Bánh xe nâng nước có lịch sử rất dài ở nhiều nền văn minh. Kiến trúc sư La Mã Vitruvius ở thế kỷ 1 trước Công nguyên đã mô tả các bánh xe nâng nước. Ở Trung Hoa có loại bánh xe ống tre gọi là "đồng xa". Ở Trung Đông, những bánh xe gỗ khổng lồ gọi là noria trên sông Orontes tại thành phố Hama nổi tiếng hàng trăm năm. Cùng một bài toán, nâng nước lên cao bằng sức dòng chảy, nhiều dân tộc đã đi tới những lời giải gần giống nhau với vật liệu sẵn có của mình.
Tự làm thử: bánh xe nước mini dưới vòi
Bạn cần: hai nắp nhựa tròn cỡ nắp hộp sữa chua, một que xiên tre làm trục, sáu đến tám chiếc thìa nhựa, keo dán hoặc băng dính, vài nắp chai nhỏ, một khay hứng.
- Xuyên que xiên qua tâm hai nắp nhựa, cách nhau khoảng 3 cm.
- Gắn các thìa nhựa giữa hai nắp như những cánh quạt, lòng thìa cùng quay về một phía.
- Gắn vài nắp chai nhỏ ở mép ngoài, nghiêng một góc, làm "ống múc".
- Gác hai đầu que lên hai cái cốc đặt trong khay, mở vòi nước nhỏ cho chảy vào lòng thìa ở một bên bánh xe.
- Quan sát bánh xe quay, rồi thử đổ một lớp nước trong khay cho ngập chân bánh xe và đặt khay nghiêng tạo dòng chảy, xem nắp chai có múc nước lên được không.
Thử thay đổi: vòi mạnh, vòi yếu; gắn thêm hoặc bớt nắp chai; đổi góc nghiêng nắp chai. Bạn sẽ thấy góc buộc "ống" quyết định nước đổ ra ở đâu, đúng như người làm cọn phải tính khi buộc ống bương.
Góc nhìn hôm nay: giữ lại bánh xe của bản làng
Kênh mương bê tông và máy bơm đã thay thế cọn nước ở nhiều nơi. Nhưng ở một số bản vùng cao, cọn vẫn quay, vừa tưới ruộng vừa trở thành nét đặc trưng thu hút người đến thăm. Nếu có dịp đứng cạnh một chiếc cọn, hãy để ý ba chi tiết: đoạn đập đá dồn nước ở chân, góc buộc của các ống bương, và vị trí cái máng so với đỉnh bánh xe. Ba chi tiết ấy chính là ba phần vật lý: dồn động lượng, giữ nước khi nâng, và đổ nước đúng lúc. Và nếu gặp người trong bản đang sửa cọn, đó là dịp hiếm để nghe kinh nghiệm chọn tre, đo dòng, chỉnh ống mà không sách vở nào ghi đủ.
Câu hỏi thường gặp
Cọn nước hoạt động như thế nào?
Dòng suối đẩy vào các cánh phên ở chân bánh xe làm bánh xe quay. Các ống bương buộc nghiêng quanh vành múc nước ở dưới, mang lên cao rồi đổ vào máng gần đỉnh, từ đó nước chảy theo mương ra ruộng.
Cọn nước đưa nước lên cao được bao nhiêu?
Độ cao nâng nước luôn thấp hơn đường kính bánh xe một chút, vì ống phải đổ nước trước khi lên tới đỉnh. Bánh xe đường kính vài mét đến hơn chục mét có thể đưa nước lên cao tương ứng.
Cọn nước có ở đâu tại Việt Nam?
Cọn nước phổ biến ở các bản người Thái tại Sơn La, Điện Biên, Lai Châu, vùng Mường Lò nay thuộc tỉnh Lào Cai, cùng các thung lũng của người Tày, Nùng ở Cao Bằng, Lạng Sơn, Tuyên Quang. Guồng xe nước trên sông Trà Khúc ở Quảng Ngãi cũng từng rất nổi tiếng.
Cọn nước khác cối xay nước châu Âu thế nào?
Cọn nước là bánh xe hứng dưới, chỉ nhúng phần thấp vào dòng chảy và dùng để nâng nước tưới ruộng. Nhiều cối nước châu Âu cho nước đổ từ trên xuống gầu ở đỉnh bánh, tận dụng năng lượng tốt hơn và thường dùng để quay cối xay bột.
Vì sao cọn nước quay chậm mà không quay nhanh?
Lượng nước phải nâng trong các ống hãm bánh xe lại. Với bánh xe hứng dưới, công suất lấy từ dòng chảy lớn nhất khi cánh chạy khoảng một nửa tốc độ nước, nên một chiếc cọn quay chậm và đều là đang làm việc hiệu quả.
